Авиационные двигатели

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель (ТРД) состоит из пяти основных частей: входного устройства, компрессора, камеры сгорания, газовой турбины и выходного устройства (выходного сопла).

При полете самолета на двигатель набегает воздушный поток. Во входном устройстве этот поток тормозится, и скоростной напор преобразуется в давление.

Из входного устройства воздух поступает в компрессор, где осуществляется дальнейшее повышение давления.

Далее поджатый воздух направляется в камеру сгорания, где нагревается при сжигании топлива. Процесс подвода тепла в камеру, в отличие от поршневых двигателей, происходит при почти постоянном давлении.

Из камеры сгорания поджатый и подогретый газовый поток направляется в турбину. Расширяясь в турбине, газы совершают работу, которую передают компрессору и вспомогательным агрегатам, обслуживающим двигатель и самолет. При выходе из турбины давление газа значительно превышает атмосферное. Дальнейшее расширение газов до атмосферного давления происходит в выходном сопле. В результате скорость истечения газов из сопла получается намного больше, чем скорость полета. Разность количества движения секундных масс, вытекающих из ТРД газов и входящего воздуха равна силе тяги двигателя.

Турбореактивные двигатели получили широкое применение в летательных аппаратах развивающих большие дозвуковые и сверхзвуковые скорости полета, где они наиболее эффективны.

Двухконтурный турбореактивный двигатель

В гражданской авиации широкое применение получили двухконтурные двигатели (ТРДД). Они по существу являются основными двигателями современной авиации. ТРДД состоит из двух контуров: внутреннего (первый контур) и наружного, расположенного вокруг внутреннего (второй контур).

По аналогии с ТВД здесь "избыточная" мощность турбины передается вентилятору (компрессору) второго контура. Рабочие процессы во внутреннем контуре ТРДД аналогичны процессам ТРД и ТВД. А во втором контуре сжатый воздух расширяется в выходном сопле этого контура и развивает тягу. Таким образом, тяга ТРДД образуется и во внутреннем и в наружном потоках.

Существуют еще и ТРДД, где воздух второго контура смешивается с газами первого в камере смешения. Такие ТРДД называют ТРДД со смешением потоков.

В ТРДД средняя скорость истечения смеси (воздуха и газов) из выходных сопел контуров при прочих равных условиях примерно в 1,5 раза меньше, чем у ТРД. Вследствие этого экономичность ТРДД на земле, по сравнению с ТРД, выше на 40-50%, а уровень шума ниже.

В отличие от ТВД лучшая экономичность двухконтурных двигателей по сравнению с ТРД сохраняется и на значительно больших скоростях полета. ТРДД могут быть эффективными и для больших сверхзвуковых скоростей полета. Такую возможность открыло сжигание топлива в двух контурах.

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) представляет собой ТРД, у которого газовый поток после расширения в турбине поступает в форсажную камеру.

В форсажной камере производится дополнительный подвод тепла путем сжигания топлива. Это значительно увеличивает тягу двигателя (на 50%), однако сильно возрастает расход топлива.

ТРДФ применяется в военных самолетах, где есть необходимость кратковременного увеличения тяги для перехвата цели.

Двухконтурный турбореактивный двигатель с форсажной камерой

Двухконтурный турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДДФ) представляет собой ТРДД со смешением потоков, у которого после камеры смешения газовый поток направляется в форсажную камеру для дополнительного подвода тепла с целью увеличения тяги.

ТРДДФ применяется в современных военных самолетах. Он сочетает в себе скоростные возможности ТРДФ и экономичность ТРДД. ТРДДФ имеют более низкую степень двухконтурности, чем ТРДД для гражданской авиации.

Турбовинтовой двигатель

На малых и средних скоростях полета (до 750-800 км/ч) ТРД значительно уступает турбовинтовым двигателям (ТВД) и по экономичности, и по своим взлетно-посадочным характеристикам. Эти объясняется применение ТВД для указанного диапазона скоростей полета. ТВД состоит из тех же основных элементов, что и ТРД, но, помимо того, снабжен воздушным винтом, вал которого соединен с валом турбокомпрессора через редуктор.

Необходимость применения редуктора вызвана тем, что, оптимальная частота вращения турбокомпрессора значительно больше оптимальной частоты вращения воздушного винта.

В отличии от ТРД, в ТВД расширение газов полностью (до атмосферного давления) или почти полностью осуществляется в турбине. Вследствие этого мощность турбины ТВД при прочих равных условиях больше мощности ТРД. Избыточная мощность турбины ТВД (сверх потребной мощности компрессора и агрегатов) передается на воздушный винт.

Тяга ТВД создается в основном воздушным винтом (на 85-90%) и только частично реакцией струи. Большинство ТВД выполняются по одновальной схеме.

На практике получили применение и двухвальные двигатели, у которых компрессор и винт приводятся во вращение от разных турбин (ТВД со свободной турбиной).

Двигатели, выполненные по такой схеме (называемые также турбовальными), устанавливаются на вертолетах и в отдельных случаях – на самолетах.

Турбовинтовентиляторный двигатель

Турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД) очень похож на ТВД.

Здесь взамен винта применяется винтовентилятор, представляющий собой малогабаритный высоконагруженный многолопастный воздушный винт изменяемого шага. Диаметр винтовентилятора примерно на 40% меньше, чем диаметр современного винта. Исследования показывают, что при одной и той же коммерческой нагрузке и одинаковой дальности полета магистральный самолет в крейсерском полете, при применении ТВВД израсходует за полет на 20-25% меньше топлива, чем перспективный ТРДД.

Прямоточный двигатель

В прямоточном воздушно реактивном двигателе (ПВРД) происходит горение топлива в потоке воздуха сжатого скоростью набегающего потока. По сравнению с турбореактивными двигателями, ПВРД не имеет движущихся частей. В ПВРД для создания тяги необходим набегающий на двигатель поток, то есть ПВРД становится эффективен на определенной скорости полета.

Конструктивно ПВРД состоит из трех основных частей - диффузора, камеры сгорания и выходного сопла.

Диффузор служит для повышения статического давления движущегося относительно его поверхности воздуха при его торможении.

Камера сгорания является элементом двигателя, в котором выделяется тепло с соответствующим повышением температуры рабочего тела. Выделение тепла происходит за счет химических реакций, где окислителем является кислород воздуха, а горючим - химическое соединение (топливо), находящиеся на борту летательного аппарата.

Выходное сопло ПВРД служит для достижения максимально возможного статического давления в камере сгорания и преобразования избыточного давления в кинетическую энергию газов. Так работает дозвуковой ПВРД.

Ведутся работы по использованию ПВРД на сверхзвуковых (5-7М) и гиперзвуковых (свыше 7М) скоростях полета. В таких ПВРД применяются другие конструкции диффузоров, камер сгорания и сопел.

Диффузор сверхзвукового ПВРД обеспечивает торможение потока до дозвукового в системе скачков и затем в расширяющейся части канала диффузора.

Диффузор гиперзвукового ПВРД обеспечивает торможение потока только в системе скачков. И далее скорость все равно остается сверхзвуковой. Поэтому камера сгорания гиперзвукового ПВРД представляет собой свободный канал, подача горючего в который происходит со стенок и рассредоточена по длине.

Пульсирующий двигатель

Еще один тип воздушно-реактивного двигателя - пульсирующий двигатель (ПуВРД). Называется он так потому, что потому что процессы горения топлива и последующего истечения продуктов сгорания в нем не непрерывные, а имеют циклический характер. Тяга ПуВРД, определяемая истекающими продуктами сгорания топлива - их количеством и скоростью, также изменяется циклически во время работы, причем ее среднее значение много меньше максимального.

Пульсирующий характер работы двигателя сделал его применение невыгодным в большой авиации по сравнению с двигателями, имеющими непрерывный процесс горения - прямоточными воздушно-реактивными (ПВРД) и турбокомпрессорными воздушно-реактивными (ТВРД).

Горение топлива в ПуВРД носит прерывистый характер. Через вентильную решетку, расположенную в передней части двигателя, всасывается воздух и затем сжимается. В сжатый воздух впрыскивается горючее, которое мгновенно воспламеняется и сгорает. Под давлением, возникавшем в этом процессе, расположенные в передней части трубы клапаны закрываются, а воздух и сильно расширившиеся горючие газы устремляются назад, создавая при этом реактивную силу - тягу. После истечения воздуха в системе образуется разрежение, клапаны вновь открываются, всасывается воздух и начинается новый цикл работы двигателя.